水力压裂岩体损伤演化与微裂缝形成研究

准确地描述水力压裂裂缝形成与分布是优化压裂施工参数、提高压裂效果的重要依据。以往水力裂缝研究主要基于单一裂缝扩展和延伸。现场实践表明，水力压裂形成许多微小裂缝。本研究将运用损伤力学理论描述水力压裂岩体的损伤特性和微裂缝形成过程。由于石油界还没有人进行这方面的研究，本项目完成后将用一种全新的方法解释水力压裂岩体破环和微裂缝形成的根本内涵。具有重要的学术价值和现实意义。主要研究内容包括：开展基于损伤理论井眼围岩应力分布研究；从工程实际出发，提出水力压裂过程岩体动静态组合应力计算模型；水力压裂过程岩体非线性损伤力学和非线性损伤演化研究，计算分析水力压裂后岩体的损伤劣化程度随压裂泵压的变化规律，描述宏观裂缝形成的微观表征；提出一种描述水力压裂岩体劣化和微裂缝形成的损伤变量，建立微裂缝形态、增长密度和增长长度以及微裂缝演化后的岩体孔渗特征模型，提出运用损伤理论描述水力压裂岩体破坏和微裂缝形成新方法。

本课题运用损伤力学研究水力压裂岩体的损伤特性和微裂缝形成过程。开展了基于损伤理论井眼围岩应力分布研究；水力压裂过程岩体非线性损伤力学和非线性损伤演化研究，建立了运用损伤理论描述水力压裂岩体破坏和微裂缝形成的研究方法，为弥补断裂力学研究水力压裂的不足提供了新的研究思路和计算手段。成果如下：.首先，基于损伤理论建立了井眼围岩的应力分布和井眼围岩破坏半径和损伤半径计算模型。.其次，提出动态应力强度因子计算方法，建立了水力压裂动态加载下微裂缝形成和岩体非线性损伤劣化的应力分布模型。.再次，建立了水力压裂过程岩体损伤劣化的本构模型。计算分析了岩体损伤变量、岩体损伤应变、弹性模量与泵压的变化关系。建立了任意压裂阶段微裂缝的增长数目和长度分岔损伤演化本构模型。计算结果与前人试验研究成果变化规律吻合。.建立了任意压裂阶段微裂缝损伤演化增长分布形态模型，得出岩体微裂缝损伤演化分岔增长在主裂缝周围形成“树叉”状附属微裂缝。建立了微裂缝分岔增长后的微裂缝张开度模型，分别计算了矩形裂缝、椭圆形裂缝和楔形裂缝张开度。并通过有限元模拟方法对模型进行了验证。.建立了水力压裂岩体微裂缝的生长密度和生长长度方程，给出任意压裂阶段微裂缝分岔增长数以及微裂缝分布密度和裂缝间距；得到了微裂缝的增长长度随泵压以及初始微裂缝的变化规律。.最后，根据建立的微裂缝形态模型、微裂缝的增长密度和增长长度模型以及压裂岩体微裂缝演化后的渗透张量模型，运用有限元模拟软件进行了产能模拟，结果表明，基于损伤理论的水力压裂岩体渗透张量计算得到的产能与实际产能吻合较好。研究成果从岩体宏细观的角度揭示了岩体宏观主裂缝扩展和延伸是岩体细观损伤劣化和微裂缝演化发展的物理内涵。得出了主裂缝扩展和延伸是微裂缝细观损伤演化的宏观唯象表征。对更深刻的了解水力压裂过程岩石的破裂机理提供了更为可靠的科学依据。